ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Дисциплина САПР радиоэлектронных устройств

ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Дисциплина «САПР радиоэлектронных устройств»

1 Становление науки о проектировании

Прежде, чем что-либо создать, человек формирует в своем воображении субъективную модель предмета труда. Дальнейшая его деятельность заключается в ее реализации. Эти два условных этапа трудового процесса – проектирование и исполнение. Если в трудовом процессе участвует один человек, то модель предмета труда может замыкаться внутри его собственных представлений и понятий. Как только в трудовой процесс вовлекается другой участник, так появляется необходимость передать ему информацию о предмете труда. Делается это в условном коде – в форме словесного или графического описания. До появления письменности формами проектирования и конструирования были устные советы и модель. Начало использования чертежей (чертежи-рисунки, чертежи – схемы) на Руси относят к XI в. В XVIII веке чертежи стали выполняться в масштабе. Несмотря на это основной формой конструирования оставалось изготовление модели, а чертежи составлялись уже по ней.

XVIII в. Теоретические основы проектирования механизмов были заложены академиком Л. Эйлером во второй половине XVIII в. Им же была предпринята попытка изучения машин с учетом динамики. До этого динамика была чисто теоретической наукой, обособленной от машин. Вслед за Эйлером появились труды Я. П. Козельского и С. К. Котельникова, рассматривающего механизмы с позиций динамики. К концу XVIII в. Центром развития механики становится Франция. Этому способствовали работы Ж. Лагранжа. XIX в. – достижения техники опережают развитие науки. XX в. – развитие техники столкнулось с рядом противоречий. Которые требуют совершенствования методов проектирования.

Первое противоречие – преобладание темпа роста сложности технических систем (ТС) над развитием методов их проектирования. Возрастание сложности ТС проявляется в увеличении количества входящих в нее подсистем и элементов (через каждые 15 лет увеличивается в два раза) Растет также разделение труда и число специалистов, разрабатывающих ТС; осложняется согласование действий, теряется представление о разрабатываемой ТС как о едином целом (ТС оказывается малоэффективной или неработоспособной, несмотря на высокие показатели ее подсистем и элементов).

Второе противоречие во взаимодействии таких факторов, как продолжительность разработки и срок морального старения ТС. Оба фактора измеряются временем, причем срок разработки с повышением сложности ТС возрастает, а время до морального износа, из-за ускорения научно-технического прогресса, неуклонно снижается. Устранение этого противоречия может быть достигнуто p повышением производительности труда в проектировании, p построением ТС на основе перспективных технических решений. С начала века производительность труда в проектировании возросла на 20%, а в производстве на 1000%. Поиск перспективных технических решений в условиях традиционных методов и средств проектирования осложняется из-за постоянного роста объема научнотехнической информации, увеличивающегося в два раза через каждые восемь лет.

2 Обзор исследований в области методологии проектирования

Возросший интерес к методологии проектирования вызван автоматизацией инженерного труда, в частности автоматизацией проектирования. Автоматизация проектирования невозможна без знаний в области методологии. Автоматизация стимулирует развитие методов проектирования.

Основные этапы проектирования по П. Хиллу Инженерное проектирование – наука, систематизирующая знания и уделяющая особое внимание этапам проектирования и их взаимосвязи. Методика проектирования – это не формула и даже не инструкция, а последовательность событий, составляющих процесс проектирования, в рамках которого возможно логическое развитие конструкции.

Основные этапы проектирования по П. Хиллу Определение потребности Потребление Определение цели Распределение Научные исследования Производство Формулировка задания Решение Формирование идей Эксперимент Выработка концепции Анализ Цепь повторения

Содержание этапов проектирования по П. Хиллу Определение потребности – столкновение конструктора с ситуацией, которая раздражает и волнует, в результате чего у него возникает потребность в изменении существующего положения. Определение цели – формулировка в общих выражениях характеристик проектируемого объекта, которые удовлетворяют эту потребность. Научные исследования – сбор всей доступной информации для решения задач, вытекающих из поставленной цели. Формулировка задания – перечень данных и параметров, обеспечивающих достижение поставленной цели. Формирование идей – процесс рождения новых идей. Выработка концепций – выработка вариантов возможных решений для достижения поставленной цели.

Содержание этапов проектирования по П. Хиллу Анализ – проверка выбранных концепций на соответствие физическим законам. Эксперимент – создание опытного образца и лабораторные испытания. Решение – описание проектируемого объекта (рабочие чертежи, технические условия). Производство – определение объема производства и потребности в производственном оборудовании, методы изготовления продукции, календарное планирование, контроль качества и приемочный контроль. Распределение продукции – установление конкурентоспособности цен, реклама, нахождение рынков сбыта, обеспечение прибыли. Потребление – контакты с потребителями. Ремонт обслуживание.

Содержание этапов проектирования по П. Хиллу Методы проектирования по П. Хиллу призваны организовать процесс. Особое значение придается морфологическому подходу к проектированию, связанному с логической организацией идей, что отличает его от традиционного подхода, основанного лишь на интуиции и опыте.

Этапы проектирования по ДЖ. К. Диксону Уяснение задачи Основное внимание определяет обучению не практике проектирования, а принципам и основам решения задач. Дж. Диксон различает два рода деятельности: изобретательство и инженерный анализ Выбор пути решения задачи Формирование идеи Инженерный анализ Конкретизация решения Производство Распределение, сбыт и использование

Процесс проектирования по М. Д. Принсу М. Д. Принс рассматривает проектирование как итеративный процесс. «Такой подход к проектированию существует потому, что не известно, как должен выполняться сразу синтез проекта. Мы умеем только анализировать пробный вариант, изменят его параметры и таким образом строить процесс, приводящий к решению» . Задание Анализ Результат Гипотеза Измерения Оценка

3 Проектирование с позиций теории познания

Основные категории проектирования p Проектирование – есть форма познания объективного мира. Теория познания дает возможность раскрыть наиболее общие законы процесса проектирования. p Для раскрытия сущности проектирования необходимо остановиться на таких категориях: субъект и объект проектирования, воображение и интуиция, познавательный образ, ценность и оценка.

Основные категории проектирования p Субъект проектирования– система, осуществляющая извлечение информации о внешних явлениях природа и общественной жизни, включая процесс коммуникации (передача сведений в ходе обучения, обмен мнений, борьба идей и т. д. ). Под субъектом проектирования можно понимать отдельного человека, коллектив специалистов , искусственный интеллект.

Основные категории проектирования p Объект проектирования (в отличие от объекта познания) еще не существует, однако его образ воспринимается субъектом как реальный с присущими ему внутренней динамичностью и противоречивостью. p Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. p Объект проектирования в сознании субъекта должен существовать в определенном окружении, взаимосвязь с которыми характеризует его жизнедеятельность. Объект проектирования может быть реальным, а также при начале проектирования может отсутствовать.

Основные категории проектирования p p p Познавательный образ (модель) – существует только в сознании, формирование его связано с воображением. Воображение – мысленное преобразование опыта и знания, ведущее к формированию наглядных образов ненаблюдаемых явлений. Интуиция образует в нашем сознании целостный образ как бы внезапно и бессознательно. Ценность – социальная характеристика объекта. Объективность состоит в том, что ценность представляет продукт воздействия человека на природу с определенной целью для удовлетворения своих потребностей. Субъективность проявляется во взаимоотношении с субъектом, с его желаниями, потребностями. Оценка – форма выражения ценности. Конструктор формирует познавательный образ на фоне оценочной шкалы, в роли которой выступают достигнутые знания, существующие теории, принципы, законы.

4 Основные понятия методологии проектирования

Понятие методологии науки p p Методология науки, в традиционном понимании, — это учение о методах и процедурах научной деятельности, а также раздел общей теории познания. Методология, в прикладном смысле, — это система принципов и подходов исследовательской деятельности, на которые опирается ученый в ходе получения и разработки знаний в рамках научных дисциплин.

Понятие методологии науки p Основная задача методологии науки заключается в обеспечении эвристической формы познания системой строго выверенных и прошедших апробацию принципов, методов, правил и норм. Для достижения успеха в исследовательской деятельности учёный должен овладеть «секретом» метода и обладать эвристической технологией научного мышления. Овладеть существующей методологией необходимо, потому что далеко не каждый исследователь может создать собственную, оригинальную методологию научного исследования. Ученые должны использовать проверенные методологические приёмы для достижения научных результатов.

Основные понятия методологии проектирования p Методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. p Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта. p Методология проектирования – учение о структуре, логической организации, методах и средствах составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

Основные понятия методологии проектирования С учетом дополнений методология проектирования – учение о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений о принципе действия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовлетворяющего определенные потребности, а также составление описания, необходимого для его создания в заданных условиях.

Основные понятия методологии проектирования p Алгоритм проектирования – совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. p Язык проектирования – язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.

Выводы 1. Научно-технический прогресс всегда характеризовался опережением развития объектов техники по сравнению с методами их создания 2. Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты производства РЭС, промышленные изделия или процессы. 3. Традиционные методы проектирования во многом опираются на такие человеческие свойства, как интуиция и воображение, описать и проанализировать которые пока не удалось

Выводы 4. Во второй половине ХХ столетия широко развернулись исследования эвристических методов, создается общая теория проектирования 5. Основными чертами современной методики являются системность и оптимизационность, широкое использование вычислительных методов выполнения проектных операций и процедур 6. Современный этап развития методов проектирования связан с автоматизацией, подразумевающей широкое использование ЭВМ в актах принятия проектных решений

Глоссарий Морфологический анализ — основан на подборе возможных решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). Относится к эвристическим методам. Метод разработан швейцарским астрономом Фрицем Цвикки. Благодаря этому методу он смог за короткое время получить значительное количество оригинальных технических решений в ракетостроении. Для проведения морфологического анализа необходима точная формулировка проблемы для рассматриваемой системы. В итоге даётся ответ на более общий вопрос посредством поиска всевозможных вариантов частных решений, независимо от того, что в исходной задаче речь шла только об одной конкретной системе.

Глоссарий Итерация (лат. iteratio — повторяю) в широком смысле слова — термин, обозначающий повторение какого-либо действия, явления или процесса. В узком смысле слова наиболее часто применяется для описания поэтапного процесса, в котором результаты выполнения группы операций в рамках каждого этапа используются следующим этапом (кроме последнего, потому что он предоставляет конечный результат)

Глоссарий Эвристика (от лат. Evrica — «отыскиваю» , «открываю» ) — отрасль знания, изучающая творческое, неосознанное мышление человека. Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Эвристические методы ещё называют методами инженерного (изобретательного) творчества.